步進(jìn)電機(jī)的三菱PLC控制

摘要:設(shè)計(jì)一種基于PLC的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng),通過(guò)微型變速箱將步進(jìn)電機(jī)角位移轉(zhuǎn)化為直線位移,進(jìn)而帶動(dòng)直線伸縮機(jī)構(gòu)運(yùn)行。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)價(jià)值和使用效果突出,能夠滿足毫米級(jí)精確位移的使用需求。關(guān)鍵詞:PLC;步進(jìn)電機(jī);驅(qū)動(dòng)器;脈沖；方向。目錄TOC\o"1-2"\h\z\u第1章緒論11.1設(shè)計(jì)背景11.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)的任務(wù)31.3本章小結(jié)3第2章步進(jìn)電機(jī)及PLC簡(jiǎn)介42.1步進(jìn)電機(jī)簡(jiǎn)介42.2PLC的開展概述82.3PLC技術(shù)在步進(jìn)電機(jī)控制中的應(yīng)用82.4本章小結(jié)10第3章PLC控制步進(jìn)電機(jī)工作方式的選擇113.1常見的步進(jìn)電機(jī)的工作方式113.2步進(jìn)電機(jī)控制原理123.3PLC控制步進(jìn)電機(jī)的方法123.4PLC控制步進(jìn)電機(jī)的設(shè)計(jì)思路133.5本章小結(jié)15第4章FX2N控制步進(jìn)電機(jī)硬件設(shè)計(jì)164.1三菱FX2nPLC的介紹164.2步進(jìn)電機(jī)的選擇184.3步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)204.4PLC驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)214.5步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的使用說(shuō)明224.6I/O接線圖244.7本章小結(jié)25第5章控制系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)265.0本設(shè)計(jì)相關(guān)指令介紹26結(jié)論30參考文獻(xiàn)31致謝32附錄33第1章緒論1.1設(shè)計(jì)背景步進(jìn)電動(dòng)機(jī)已成為除直流電動(dòng)機(jī)和交流電動(dòng)機(jī)以外的第三類電動(dòng)機(jī)，傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)作為機(jī)電能量轉(zhuǎn)換裝置，在人類的生產(chǎn)和生活進(jìn)入電氣化過(guò)程中起著關(guān)鍵的作用?？墒窃谌祟惿鐣?huì)進(jìn)入自動(dòng)化時(shí)代的今天，傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)的功能已不能滿足工廠自動(dòng)化和辦公自動(dòng)化等各種運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的要求。為適應(yīng)這些要求，開展了一系列新的具備控制功能的電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，其中較有自己特點(diǎn)，且應(yīng)用十分廣泛的一類便是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的開展與計(jì)算機(jī)工業(yè)密切相關(guān)。自從步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備中取代小型直流電動(dòng)機(jī)以后，使其設(shè)備的性能提高，很快地促進(jìn)了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的開展。另一方面，微型計(jì)算機(jī)和數(shù)字控制技術(shù)的開展，又將作為數(shù)控系統(tǒng)執(zhí)行部件的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)推廣應(yīng)用到其他領(lǐng)域，如電加工機(jī)床、小功率機(jī)械加工機(jī)床、測(cè)量?jī)x器、光學(xué)和醫(yī)療儀器以及包裝機(jī)械等。任何一種產(chǎn)品成熟的過(guò)程，根本上都是規(guī)格品種逐步統(tǒng)一和簡(jiǎn)化的過(guò)程?，F(xiàn)在，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的開展已歸結(jié)為單段式結(jié)構(gòu)的磁阻式、混合式和爪極結(jié)構(gòu)的永磁式三類。爪極電機(jī)價(jià)格廉價(jià)，性能指標(biāo)不高，混合式和磁阻式主要作為高分辨率電動(dòng)機(jī)，由于混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)具有控制功率小，運(yùn)行平穩(wěn)性較好而逐步處于主導(dǎo)地位。最典型的產(chǎn)品是二相8極50齒的電動(dòng)機(jī)，步距角1.8°／0.9°〔全步／半步〕；還有五相10極50齒和一些轉(zhuǎn)子100齒的二相和五相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，五相電動(dòng)機(jī)主要用于運(yùn)行性能較高的場(chǎng)合。到目前，工業(yè)興旺國(guó)家的磁阻式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)已極少見[1]。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最大的生產(chǎn)國(guó)是日本，如日本伺服公司、東方公司、SANYODENKI和MINEBEA及NPM公司等，特別是日本東方公司，無(wú)論是電動(dòng)機(jī)性能和外觀質(zhì)量，還是生產(chǎn)手段，都堪稱是世界上最好的?，F(xiàn)在日本步進(jìn)電動(dòng)機(jī)年產(chǎn)量〔含國(guó)外獨(dú)資公司〕近2億臺(tái)，德國(guó)也是世界上步進(jìn)電動(dòng)機(jī)生產(chǎn)大國(guó)。德國(guó)B.L.公司1994年五相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)專利期滿后，推出了新的三相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)系列，為定子6極轉(zhuǎn)子50齒結(jié)構(gòu)，配套電流型驅(qū)動(dòng)器，每轉(zhuǎn)步數(shù)為200、400、1000、2000、4000、10000和20000，它具有通常的二相和五相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的分辨率，還可以在此根底上再10細(xì)分，分辨率提高10倍，這是一種很好的方案，充分運(yùn)用了電流型驅(qū)動(dòng)技術(shù)的功能，讓三相電動(dòng)機(jī)同時(shí)具有二相和五相電動(dòng)機(jī)的性能。與此同時(shí)，日本伺服公司也推出了他們的三相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。該公司阪正文博士研制了三種不同的永磁式三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，即HB型〔混合式〕、RM性〔定子和混合式相似，轉(zhuǎn)子那么同永磁式環(huán)形磁鐵相似〕和爪極PM型。將三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)同二相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行比擬后得出：1〕在獲得小步距角方面，三相電動(dòng)機(jī)比二相電動(dòng)機(jī)要好。2〕三相電動(dòng)機(jī)的兩相勵(lì)磁最大保持力矩為3T1〔T1為單相勵(lì)磁轉(zhuǎn)矩〕，而二相電動(dòng)機(jī)為2T1，所以三相電動(dòng)機(jī)的合成力矩大。3〕三相電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)比二相電動(dòng)機(jī)要小。4〕三相電動(dòng)機(jī)連續(xù)2步用于半步的轉(zhuǎn)矩差比二相電動(dòng)機(jī)的要小。5〕三相電動(dòng)機(jī)繞組可以星形連接，三個(gè)終端驅(qū)動(dòng)，勵(lì)磁電路晶體管6個(gè)；而二相電動(dòng)機(jī)是8個(gè)。6〕連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，由于三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)原因，磁通和電流的三次諧波被消除了，所以三相電動(dòng)機(jī)的振動(dòng)力矩比二相電動(dòng)機(jī)的要小.結(jié)論是顯而易見的[2]。另外的結(jié)論是HB型電動(dòng)機(jī)更適合于低速大轉(zhuǎn)矩用途；RM型適用于平穩(wěn)運(yùn)行以及轉(zhuǎn)速大于1000r/min的用途；而PM型本錢低，在低轉(zhuǎn)速時(shí)的振動(dòng)和高轉(zhuǎn)速時(shí)的大轉(zhuǎn)矩方面，三相PM型電動(dòng)機(jī)比兩相電動(dòng)機(jī)的性能要好。因此，當(dāng)前最有開展前景的當(dāng)屬混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，而混合式電動(dòng)機(jī)又向以下四個(gè)方向開展：開展趨勢(shì)一，隨著電動(dòng)機(jī)本身應(yīng)用領(lǐng)域的拓寬以及各類整機(jī)的不斷小型化，要求與之配套的電動(dòng)機(jī)也必須越來(lái)越小，在57、42機(jī)座號(hào)的電動(dòng)機(jī)應(yīng)用了多年后，現(xiàn)在其機(jī)座號(hào)向39、35、30、25方向向下延伸。瑞士ESCAP公司最近還研制出外徑僅10mm的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。開展趨勢(shì)之二，是改圓形電動(dòng)機(jī)為方形電動(dòng)機(jī)。由于電動(dòng)機(jī)采用方型結(jié)構(gòu)，使得轉(zhuǎn)子有可能設(shè)計(jì)得比圓形大，因而其力矩體積比將大為提高。同樣機(jī)座號(hào)的電動(dòng)機(jī)，方形的力矩比圓形的將提高30％～40％開展趨勢(shì)之三，對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)。即把轉(zhuǎn)子位置傳感器，減速齒輪等和電動(dòng)機(jī)本體綜合設(shè)計(jì)在一起，這樣使其能方便地組成一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，因而具有更加優(yōu)越的控制性能。開展趨勢(shì)之四，向五相和三相電動(dòng)機(jī)方向開展。目前廣泛應(yīng)用的二相和四相電動(dòng)機(jī)，其振動(dòng)和噪聲較大，而五相和三相電動(dòng)機(jī)具有優(yōu)勢(shì)性。而就這兩種電動(dòng)機(jī)而言，五相電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路比三相電動(dòng)機(jī)復(fù)雜，因此三相電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的性能價(jià)格比要比五相電動(dòng)機(jī)更好一些。我國(guó)的情況有所不同，直到20世紀(jì)80年代，一直是磁阻式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)占統(tǒng)治地位，混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是80年代后期才開始開展，至今仍然是二種結(jié)構(gòu)類型同時(shí)并存。盡管新的混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)完全可能替代磁阻式電動(dòng)機(jī)，但磁阻式電動(dòng)機(jī)的整機(jī)獲得了長(zhǎng)期應(yīng)用，對(duì)于它的技術(shù)也較為熟悉，特別是典型的混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角〔0.9°/1.8°〕與典型的磁阻式電動(dòng)機(jī)的步距角〔0.75°/1.5°〕不一樣，用戶改變這種產(chǎn)品結(jié)構(gòu)不是很容易的，這就使得兩種機(jī)型并存的局面難以在較短時(shí)間內(nèi)改變。這種現(xiàn)狀對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的開展是不利的。1.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)的任務(wù)步進(jìn)電機(jī)具有較好的控制性能，其啟動(dòng)、停車、反轉(zhuǎn)及其它任何運(yùn)行方式的改變都可在少數(shù)脈沖內(nèi)完成，且可獲得較高的控制精度，因而得到了廣泛的應(yīng)用。步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成直線位移或角位移的執(zhí)行元件。步進(jìn)電機(jī)具有轉(zhuǎn)子慣量低、定位精度高、無(wú)累積誤差、控制簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，已成為運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域的主要執(zhí)行元件之一。隨著微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的開展，步進(jìn)電機(jī)的需求量與日俱增，在各個(gè)行業(yè)的控制領(lǐng)域都將有廣泛應(yīng)用。而現(xiàn)在的可編程控制器(通常稱PLC)是一種工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，具有模塊化結(jié)構(gòu)、配置靈活、高速的處理速度、精確的數(shù)據(jù)處理能力、多種控制功能、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和優(yōu)越的性價(jià)比等性能，能充分適應(yīng)工業(yè)環(huán)境，簡(jiǎn)單易懂，操作方便，可靠性高，是目前廣泛應(yīng)用的控制裝置之一。本設(shè)計(jì)是采用是FX2N-32MT控制三相六拍的反響步式步進(jìn)電機(jī)，通過(guò)軟件設(shè)計(jì)脈沖頻率來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行速度，通過(guò)加減頻率來(lái)控制步進(jìn)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。圍繞這兩個(gè)主要方面，可提出具體的控制要求如下:1〕可正轉(zhuǎn)運(yùn)行或反轉(zhuǎn)運(yùn)行；2〕系統(tǒng)上電后，賦一個(gè)初始速度值；3〕步進(jìn)速度可手動(dòng)變速；1.3本章小結(jié)本章闡述了此次設(shè)計(jì)的背景，即步進(jìn)電機(jī)的開展?fàn)顩r，和步進(jìn)電機(jī)在工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)中的重大作用。提出了本次設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)任務(wù)，用PLC控制步進(jìn)電機(jī)以不同的方式運(yùn)行。第2章步進(jìn)電機(jī)及PLC簡(jiǎn)介2.1步進(jìn)電機(jī)簡(jiǎn)介步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種將數(shù)字脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成機(jī)械角位移或者線位移的數(shù)模轉(zhuǎn)換元件。在經(jīng)歷了一個(gè)大的開展階段后，目前其開展趨于平緩。然而，由于電動(dòng)機(jī)的工作原理和其它電動(dòng)機(jī)有很大的差異，具有其它電動(dòng)機(jī)所沒(méi)有的特性。因此，沿著小型、高效、低價(jià)的方向開展。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)由此而得名。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行是在專用的脈沖電源供電下進(jìn)行的，其轉(zhuǎn)子走過(guò)的步數(shù)，或者說(shuō)轉(zhuǎn)子的角位移量，與輸入脈沖數(shù)嚴(yán)格成正比。另外，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，控制性能好，只要改變輸入脈沖的順序，就能方便地改變其旋轉(zhuǎn)方向。這些特點(diǎn)使得步進(jìn)電動(dòng)機(jī)與其它電動(dòng)機(jī)有很大的差異。因此，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的上述特點(diǎn)，使得由它和驅(qū)動(dòng)控制器組成的開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)，既具有較高的控制精度，良好的控制性能，又能穩(wěn)定可靠地工作。因此，在數(shù)字控制系統(tǒng)出現(xiàn)之初，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)經(jīng)歷過(guò)一個(gè)大的開展階段[3]。2.1.1步進(jìn)電機(jī)的分類1〕永磁式步進(jìn)電機(jī)一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進(jìn)角一般為7.5度或15度。2〕反響式步進(jìn)電機(jī)一般為三相，可實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進(jìn)角一般為1.5度，但噪聲和振動(dòng)都很大。3〕混合式步進(jìn)電機(jī)是指混合了永磁式和反響式的優(yōu)點(diǎn)，它又分為兩相和五相。兩相步進(jìn)角一般分為1.8度而五相步進(jìn)角一般為0.72度，這種步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用最為廣泛。三相反響式步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)如下圖。定子、轉(zhuǎn)子是用硅鋼片或其他軟磁材料制成的。定子的每對(duì)極上都繞有一對(duì)繞組，構(gòu)成一相繞組，共三相稱為A、B、C相。圖2-1三相反響式步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)圖在定子磁極和轉(zhuǎn)子上都開有齒分度相同的小齒，采用適當(dāng)?shù)凝X數(shù)配合，當(dāng)A相磁極的小齒與轉(zhuǎn)子小齒一一對(duì)應(yīng)時(shí)，B相磁極的小齒與轉(zhuǎn)子小齒相互錯(cuò)開1/3齒距，C相那么錯(cuò)開2/3齒距。如下圖：圖2-2A相通電定轉(zhuǎn)子錯(cuò)開示意圖電機(jī)的位置和速度由繞組通電次數(shù)〔脈沖數(shù)〕和頻率成一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。而方向由繞組通電的順序決定。2.1.2步進(jìn)電機(jī)的根本參數(shù)1.電機(jī)固有步距角它表示控制系統(tǒng)每發(fā)一個(gè)步進(jìn)脈沖信號(hào)，電機(jī)所轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。電機(jī)出廠時(shí)給出了一個(gè)步距角的值，這個(gè)步距角可以稱之為“電機(jī)固有步距角”，它不一定是電機(jī)實(shí)際工作時(shí)的真正步距角，真正的步距角和驅(qū)動(dòng)器有關(guān)。2.步進(jìn)電機(jī)的相數(shù)步進(jìn)電機(jī)的相數(shù)是指電機(jī)內(nèi)部的線圈組數(shù)，目前常用的有二相、三相、四相、五相步進(jìn)電機(jī)。電機(jī)相數(shù)不同，其步距角也不同，一般二相電機(jī)的步距角為0.9°/1.8°、三相的為0.75°/1.5°、五相的為0.36°/0.72°。在沒(méi)有細(xì)分驅(qū)動(dòng)器時(shí)，用戶主要靠選擇不同相數(shù)的步進(jìn)電機(jī)來(lái)滿足自己步距角的要求。如果使用細(xì)分驅(qū)動(dòng)器，那么“相數(shù)”將變得沒(méi)有意義，用戶只需在驅(qū)動(dòng)器上改變細(xì)分?jǐn)?shù)，就可以改變步距角。3.保持轉(zhuǎn)矩保持轉(zhuǎn)矩是指步進(jìn)電機(jī)通電但沒(méi)有轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。它是步進(jìn)電機(jī)最重要的參數(shù)之一，通常步進(jìn)電機(jī)在低速時(shí)的力矩接近保持轉(zhuǎn)矩。由于步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩隨速度的增大而不斷衰減，輸出功率也隨速度的增大而變化，所以保持轉(zhuǎn)矩就成為了衡量步進(jìn)電機(jī)最重要的參數(shù)之一。比方，當(dāng)人們說(shuō)2Nm的步進(jìn)電機(jī)，在沒(méi)有特殊說(shuō)明的情況下是指保持轉(zhuǎn)矩為2Nm的步進(jìn)電機(jī)。4.鉗制轉(zhuǎn)矩鉗制轉(zhuǎn)矩是指步進(jìn)電機(jī)沒(méi)有通電的情況下，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。由于反響式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子不是永磁材料，所以它沒(méi)有鉗制轉(zhuǎn)矩。2.1.3步進(jìn)電機(jī)主要特點(diǎn)1〕一般步進(jìn)電機(jī)的精度為步進(jìn)角的3-5%，且不累積。2〕步進(jìn)電機(jī)外表允許的最高溫度取決于不同電機(jī)磁性材料的退磁點(diǎn)，步進(jìn)電機(jī)溫度過(guò)高時(shí)會(huì)使電機(jī)的磁性材料退磁，從而導(dǎo)致力矩下降乃至于失步，因此電機(jī)外表允許的最高溫度應(yīng)取決于不同電機(jī)磁性材料的退磁點(diǎn)；一般來(lái)講，磁性材料的退磁點(diǎn)都在攝氏130度以上，有的甚至高達(dá)攝氏200度以上，所以步進(jìn)電機(jī)外表溫度在攝氏80-90度完全正常。3〕步進(jìn)電機(jī)的力矩會(huì)隨轉(zhuǎn)速的升高而下降。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電機(jī)各相繞組的電感將形成一個(gè)反向電動(dòng)勢(shì)；頻率越高，反向電動(dòng)勢(shì)越大。在它的作用下，電機(jī)隨頻率〔或速度〕的增大而相電流減小，從而導(dǎo)致力矩下降。4〕步進(jìn)電機(jī)低速時(shí)可以正常運(yùn)轉(zhuǎn)，但假設(shè)高于一定速度就無(wú)法啟動(dòng)，并伴有嘯叫聲。步進(jìn)電機(jī)有一個(gè)技術(shù)參數(shù)：空載啟動(dòng)頻率，即步進(jìn)電機(jī)在空載情況下能夠正常啟動(dòng)的脈沖頻率，如果脈沖頻率高于該值，電機(jī)不能正常啟動(dòng)，可能發(fā)生丟步或堵轉(zhuǎn)。在有負(fù)載的情況下，啟動(dòng)頻率應(yīng)更低。如果要使電機(jī)到達(dá)高速轉(zhuǎn)動(dòng)，脈沖頻率應(yīng)有加速過(guò)程，即啟動(dòng)頻率較低，然后按一定加速度升到所希望的高頻[4]。2.1.4反響式步進(jìn)電機(jī)原理2.1.4.1結(jié)構(gòu)電機(jī)轉(zhuǎn)子均勻分布著很多小齒，定子齒有三個(gè)勵(lì)磁繞阻，其幾何軸線依次分別與轉(zhuǎn)子齒軸線錯(cuò)開。0、1/3、2/3〔相鄰兩轉(zhuǎn)子齒軸線間的距離為齒距以表示〕，即A與齒1相對(duì)齊，B與齒2向右錯(cuò)開1/3，C與齒3向右錯(cuò)開2/3，A'與齒5相對(duì)齊，〔A'就是A，齒5就是齒1〕如圖：圖2-3定轉(zhuǎn)子的展開圖2.1.4.2旋轉(zhuǎn)三相如A相通電，B，C相不通電時(shí)，由于磁場(chǎng)作用，齒1與A對(duì)齊，〔轉(zhuǎn)子不受任何力，以下均同〕。如B相通電，A，C相不通電時(shí)，齒2應(yīng)與B對(duì)齊，此時(shí)轉(zhuǎn)子向右移過(guò)1/3，此時(shí)齒3與C偏移為1/3，齒4與A偏移〔-1/3〕=2/3。如C相通電，A，B相不通電，齒3應(yīng)與C對(duì)齊，此時(shí)轉(zhuǎn)子又向右移過(guò)1/3，此時(shí)齒4與A偏移為1/3對(duì)齊。如A相通電，B，C相不通電，齒4與A對(duì)齊，轉(zhuǎn)子又向右移過(guò)1/3這樣經(jīng)過(guò)A、B、C、A分別通電狀態(tài)，齒4〔即齒1前一齒〕移到A相，電機(jī)轉(zhuǎn)子向右轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)齒距，如果不斷地按A，B，C，A……通電，電機(jī)就每步〔每脈沖〕1/3，向右旋轉(zhuǎn)。如按A，C，B，A……通電，電機(jī)就反轉(zhuǎn)。由此可見，電機(jī)的位置和速度由導(dǎo)電次數(shù)〔脈沖數(shù)〕和頻率成一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。而方向由導(dǎo)電順序決定。不過(guò)，出于對(duì)力矩、平穩(wěn)、噪音及減少角度等方面考慮。往往采用A-AB-B-BC－C-CA-A這種導(dǎo)電狀態(tài)，所以本設(shè)計(jì)采用三相六拍。這樣將原來(lái)每步1/3改變?yōu)?/6。甚至于通過(guò)二相電流不同的組合，使其1/3變?yōu)?/12，1/24，這就是電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)的根本理論依據(jù)[5]。不難推出：電機(jī)定子上有m相勵(lì)磁繞阻，其軸線分別與轉(zhuǎn)子齒軸線偏移1/m，2/m……(m-1)/m，1。并且導(dǎo)電按一定的相序電機(jī)就能正反轉(zhuǎn)被控制——這是步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的物理?xiàng)l件。只要符合這一條件我們理論上可以制造任何相的步進(jìn)電機(jī)，出于本錢等多方面考慮，市場(chǎng)上一般以二、三、四、五相為多。2.1.5步進(jìn)電機(jī)在工業(yè)控制領(lǐng)域的主要應(yīng)用步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件，是機(jī)電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一，廣泛應(yīng)用在各種家電產(chǎn)品中，例如打印機(jī)、磁盤驅(qū)動(dòng)器、玩具、雨刷、機(jī)械手臂和錄像機(jī)等。另外步進(jìn)電機(jī)也廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)中。由于通過(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)可以很方便的控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)的角位移，且步進(jìn)電機(jī)的誤差不積累，可以到達(dá)準(zhǔn)確定位的目的。還可以通過(guò)控制頻率很方便的改變步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和加速度，到達(dá)任意調(diào)速的目的，因此步進(jìn)電機(jī)可以廣泛的應(yīng)用于各種開環(huán)控制系統(tǒng)中[6]。2.2PLC的開展概述可編程控制器(簡(jiǎn)稱PLC)是種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，是在20世紀(jì)60年代末面向工業(yè)環(huán)境由美國(guó)科學(xué)家首先研制成功的。它采用可編程序的存儲(chǔ)器，其內(nèi)部存貯執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作指令，并通過(guò)數(shù)字的、模擬的輸入和輸出，控各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程。可編程序控制器及其有關(guān)設(shè)備，都是按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一體、易于擴(kuò)充其功能的原那么設(shè)計(jì)的。PLC自產(chǎn)生至今只有30多年的歷史，卻得到了迅速開展和廣泛應(yīng)用，成為當(dāng)代工業(yè)自動(dòng)化的主要支柱之一。產(chǎn)生和開展過(guò)程現(xiàn)代社會(huì)要求生產(chǎn)廠家對(duì)市場(chǎng)的需求做出迅速的反響，生產(chǎn)出小批量、多品種、多規(guī)格、低本錢和高質(zhì)量的產(chǎn)品。老式的繼電器控制系統(tǒng)已無(wú)法滿足這一要求，迫使人們?nèi)ふ乙环N新的控制裝置取而代之。PLC實(shí)質(zhì)是一種專用于工業(yè)控制的計(jì)算機(jī)，其硬件結(jié)構(gòu)根本上與微型計(jì)算機(jī)相同:1〕中央處理單元(CPU)是PLC的控制中樞。它按照PLC系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存儲(chǔ)從編程器鍵入的用戶程序和數(shù)據(jù)；檢查電源、存儲(chǔ)器、I/O以及警戒定時(shí)器的狀態(tài)，并能診斷用戶程序中的語(yǔ)法錯(cuò)誤。當(dāng)PLC投入運(yùn)行時(shí)，首先它以掃描的方式接收現(xiàn)場(chǎng)各輸入裝置的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并分別存入I/O映象區(qū)，然后從用戶程序存儲(chǔ)器中逐條讀取用戶程序，經(jīng)過(guò)命令解釋后按指令的規(guī)定執(zhí)行邏輯或算數(shù)運(yùn)算的結(jié)果送入I/O映象區(qū)或數(shù)據(jù)存放器內(nèi)。等所有的用戶程序執(zhí)行完畢之后，最后將I/O映象區(qū)的各輸出狀態(tài)或輸出存放器內(nèi)的數(shù)據(jù)傳送到相應(yīng)的輸出裝置，如此循環(huán)運(yùn)行，直到停止運(yùn)行。為了進(jìn)一步提高PLC的可靠性，近年來(lái)對(duì)大型PLC還采用雙CPU構(gòu)成冗余系統(tǒng)，或采用三CPU的表決式系統(tǒng)。這樣，即使某個(gè)CPU出現(xiàn)故障，整個(gè)系統(tǒng)仍能正常運(yùn)行。2〕存儲(chǔ)器存放系統(tǒng)軟件的存儲(chǔ)器稱為系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器。存放應(yīng)用軟件的存儲(chǔ)器稱為用戶程序存儲(chǔ)器[7]。2.3PLC技術(shù)在步進(jìn)電機(jī)控制中的應(yīng)用隨著微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的開展，可編程序控制器有了突飛猛進(jìn)的開展，其功能已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了邏輯控制、順序控制的范圍。繼續(xù)沿著小型化的方向開展。隨著電動(dòng)機(jī)本身應(yīng)用領(lǐng)域的拓寬以及各類整機(jī)的不斷小型化，要求與之配套的電動(dòng)機(jī)也必須越來(lái)越小。對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)。即把轉(zhuǎn)子位置傳感器，減速齒輪等和電動(dòng)機(jī)本體綜合設(shè)計(jì)在一起，這樣使其能方便地組成一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，因而具有更加優(yōu)越的控制性。向五相和三相電動(dòng)機(jī)方向開展，目前廣泛應(yīng)用的二相和四相電動(dòng)機(jī)，其振動(dòng)和噪聲較大，而五相和三相電動(dòng)機(jī)具有優(yōu)勢(shì)性。而就這兩種電動(dòng)機(jī)而言，五相電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路比三相電動(dòng)機(jī)復(fù)雜，因此三相電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的性能價(jià)格比要比五相電動(dòng)機(jī)更好一些[8]。目前利用可編程序控制器〔即PLC技術(shù)〕可以方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)速度和位置的控制，方便地進(jìn)行各種步進(jìn)電機(jī)的操作，完成各種復(fù)雜的工作，它代表了先進(jìn)的工業(yè)自動(dòng)化革命，加速了機(jī)電一體化的實(shí)現(xiàn)。用PLC對(duì)步進(jìn)電機(jī)也具有良好的控制能力，利用其高速脈沖輸出功能或運(yùn)動(dòng)控制功能，現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制[9]。步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成直線位移或角位移的執(zhí)行元件，每當(dāng)對(duì)其施加一個(gè)電脈沖時(shí)，其輸出軸便轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)固定的角度。步進(jìn)電機(jī)的輸出位移量與輸入脈沖個(gè)數(shù)成正比，其轉(zhuǎn)速與單位時(shí)間內(nèi)輸入的脈沖數(shù)(即脈沖頻率)成正比，其轉(zhuǎn)向與脈沖分配到步進(jìn)電機(jī)的各相繞組的相序有關(guān)。所以只要控制指令脈沖的數(shù)量、頻率及電機(jī)繞組通電的相序，便可控制步進(jìn)電機(jī)的輸出位移量、速度和轉(zhuǎn)向[10]。PLC直接控制步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)由PLC和步進(jìn)電機(jī)組成，PLC具有實(shí)時(shí)刷新技術(shù)，輸出信號(hào)的頻率可以到達(dá)數(shù)千赫茲或更高，使得脈沖分配能有很高的分配速度，充分利用步進(jìn)電機(jī)的速度響應(yīng)能力，提高整個(gè)系統(tǒng)的快速性。并且，PLC有采用大功率晶體管的輸出端口，能夠滿足步進(jìn)電機(jī)各相繞組數(shù)10V級(jí)脈沖電壓、1A級(jí)脈沖電流的驅(qū)動(dòng)要求[11]。有以上步進(jìn)電機(jī)的工作原理以及工作方式我們可以看出：控制步進(jìn)電機(jī)最重要的就是要產(chǎn)生出符合要求的控制脈沖。三菱PLC本身帶有高速脈沖計(jì)數(shù)器和高速脈沖發(fā)生器，其發(fā)出的頻率最大為10KHz，能夠滿足步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的要求。對(duì)PLC提出兩個(gè)特性要求。一是在此應(yīng)用的PLC最好是具有實(shí)時(shí)刷新技術(shù)的PLC，使輸出信號(hào)的頻率可以到達(dá)數(shù)千赫芝或更高。其目的是使脈沖能有較高的分配速度，充分利用步進(jìn)電機(jī)的速度響應(yīng)能力，提高整個(gè)系統(tǒng)的快速性。二是PLC本身的輸出端口應(yīng)該采用大功率晶體管，以滿足步進(jìn)電機(jī)各相繞組數(shù)十伏脈沖電壓、數(shù)安培脈沖電流的驅(qū)動(dòng)要求[12]。如下列圖所示：PLCPLC步進(jìn)電機(jī)輸入信號(hào)圖2-4步進(jìn)電機(jī)的PLC直接控制2.4本章小結(jié)本章闡述了步進(jìn)電機(jī)的主要特點(diǎn)與工作原理，并介紹了PLC的開展?fàn)顩r以及PLC技術(shù)在步進(jìn)電機(jī)控制中所發(fā)揮的巨大作用。第3章PLC控制步進(jìn)電機(jī)工作方式的選擇3.1常見的步進(jìn)電機(jī)的工作方式常見的步進(jìn)電機(jī)的工作方式有以下三種：1.三相單三拍：A->B->C->A圖3-1三相單三拍工作方式時(shí)序圖2.三相雙三拍：AB->BC->CA->AB圖3-2三相雙三拍工作方式時(shí)序圖3.三相六拍：A->AB->B->BC->C->CA->A圖3-3三相六拍工作方式時(shí)序圖3.2步進(jìn)電機(jī)控制原理3.2.1控制步進(jìn)電機(jī)換向順序通電換向這一過(guò)程稱為脈沖分配。例如：三相步進(jìn)電機(jī)的三相三拍工作方式，其各相通電順序?yàn)锳-B-C-D，通電控制脈沖必須嚴(yán)格按照這一順序分別控制A、B、C、D相的通斷。3.2.2控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向如果給定工作方式正序換相通電，步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)，如果按反序通電換相，那么電機(jī)就反轉(zhuǎn)。3.2.3控制步進(jìn)電機(jī)的速度如果給步進(jìn)電機(jī)發(fā)一個(gè)控制脈沖，它就轉(zhuǎn)一步，再發(fā)一個(gè)脈沖，它會(huì)再轉(zhuǎn)一步。兩個(gè)脈沖的間隔越短，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)得越快。調(diào)整發(fā)出的脈沖頻率，就可以對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速。3.3PLC控制步進(jìn)電機(jī)的方法在本設(shè)計(jì)中直接使用PLC控制步進(jìn)電機(jī)，可使用PLC產(chǎn)生控制步進(jìn)電機(jī)所需要的各種時(shí)序的脈沖。三相步進(jìn)電機(jī)可采用三種工作方式：三相單三拍，三相雙三拍，三相單六拍。這三種方式的主要區(qū)別是:電機(jī)繞組的通電、放電時(shí)間不同。工作方式是單三拍時(shí)通電時(shí)間最短，雙三拍時(shí)允許放電時(shí)間最短，六拍時(shí)通電時(shí)間和放電時(shí)間最長(zhǎng)。因此，同一脈沖頻率時(shí)，六拍的工作方式出力最大。而且，電機(jī)是三拍的工作方式時(shí)，其分辨率為3度，六拍的工作方式時(shí)，分辨率是1.5度。所以，在本課題中，我們采用三相六拍的工作方式，在這種控制方式下工作，步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行特性好，步進(jìn)電機(jī)分辨率最高?？筛鶕?jù)步進(jìn)電機(jī)的工作方式，以及所要求的頻率〔步進(jìn)電機(jī)的速度〕，畫出A、B、C各相的時(shí)序圖。并使用PLC產(chǎn)生各種時(shí)序的脈沖。例如：本設(shè)計(jì)采用三菱FX2n-32MTPLC控制三相步進(jìn)電機(jī)的過(guò)程。圖3-4三相單六拍正向時(shí)序圖3.4PLC控制步進(jìn)電機(jī)的設(shè)計(jì)思路3.4.1步進(jìn)電機(jī)控制方式典型的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)如下圖：圖3-5典型的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種將數(shù)字脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成機(jī)械角位移或者線位移的數(shù)模轉(zhuǎn)換元件。在經(jīng)歷了一個(gè)大的開展階段后，日前其開展趨向平緩。然而，其根本原理是不變的，即：是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成直線位移或角位移的執(zhí)行元件，每當(dāng)對(duì)其施加一個(gè)電脈沖時(shí)，其輸出轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)固定的角度。步進(jìn)電機(jī)的輸出位移量與輸入脈沖個(gè)數(shù)成正比，其轉(zhuǎn)速與單位時(shí)間內(nèi)輸入的脈沖數(shù)(即脈沖頻率)成正比，其轉(zhuǎn)向與脈沖分配到步進(jìn)電機(jī)的各相繞組的脈沖順序有關(guān)。所以只要控制指令脈沖的數(shù)量、頻率及電機(jī)繞組通電的順序，便可控制步進(jìn)電機(jī)的輸出位移量、速度和轉(zhuǎn)向。步進(jìn)電機(jī)的機(jī)理是基于最根本的電磁鐵作用，可簡(jiǎn)單地定義為，根據(jù)輸人的脈沖信號(hào)，每改變一次勵(lì)磁狀態(tài)就前進(jìn)一定角度或長(zhǎng)度，假設(shè)不改變勵(lì)磁狀態(tài)那么保持一定位置而靜止的電動(dòng)機(jī):從廣義上講，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種受電脈沖信號(hào)控制的無(wú)刷式直流電機(jī)，也可看作是在一定頻率范圍內(nèi)轉(zhuǎn)速與控制脈沖頻率同步的同步電動(dòng)機(jī)。步進(jìn)電機(jī)的控制和驅(qū)動(dòng)方法很多，按照使用的控制裝置來(lái)分可以分為:普通集成電路控制、單片機(jī)控制、工業(yè)控制機(jī)控制、可編程控制器控制等幾種；按照控制結(jié)構(gòu)可分為:硬脈沖生成器硬脈沖分配結(jié)構(gòu)(硬-硬結(jié)構(gòu))、軟脈沖生成器軟脈沖分配器結(jié)構(gòu)(軟-軟結(jié)構(gòu))、軟脈沖生成器硬脈沖分配器結(jié)構(gòu)(軟-硬結(jié)構(gòu))。1．硬——硬結(jié)構(gòu)如圖3.6所示，這種步進(jìn)電機(jī)的控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由硬件電路脈沖生成器、硬件電路脈沖分配器、驅(qū)動(dòng)器組成。這種控制驅(qū)動(dòng)方式運(yùn)行速度比擬快，但是電路復(fù)雜，功能單一。2．軟——軟結(jié)構(gòu)如圖3.7所示，這種步進(jìn)電機(jī)的控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由軟件程序脈沖生成器、軟件程序脈沖分配器、驅(qū)動(dòng)器組成，而軟件脈沖生成器和脈沖分配器都有微處理器或微控制器通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)。用單片機(jī)、工業(yè)控制機(jī)、普通個(gè)人計(jì)算機(jī)、可編程序控制器控制步進(jìn)電機(jī)一般均可采用這種結(jié)構(gòu)。這種控制驅(qū)動(dòng)方法電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的功能，但是占用CPU時(shí)間多，給微處理器運(yùn)行其他工作造成困難。3．軟——硬結(jié)構(gòu)如圖3.8所示，這種步進(jìn)電機(jī)的控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由軟件脈沖生成器、硬件脈沖分配器和硬件驅(qū)動(dòng)器組成。硬件脈沖分配器是通過(guò)脈沖分配器芯片(如8713芯片)來(lái)實(shí)現(xiàn)通電換相控制的。這種控制驅(qū)動(dòng)方法電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的功能，同時(shí)占用CPU時(shí)間較少，用可編程控制器全部實(shí)現(xiàn)了控制器和驅(qū)動(dòng)器的功能。在PLC中，由軟件代替了脈沖生成器和脈沖分配器，直接對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行并行控制，并且由PLC輸出端口直接驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。如圖3.7所示，這是一種軟-軟結(jié)構(gòu)，脈沖生成器和脈沖分配器均有可編程序控制器程序?qū)崿F(xiàn)。圖3-6硬硬結(jié)構(gòu)控制圖3-7軟軟結(jié)構(gòu)控制圖3-8軟硬結(jié)構(gòu)控制3.4.2三菱PLC控制步進(jìn)電機(jī)由以上步進(jìn)電機(jī)的工作原理以及工作方式我們可以看出：控制步進(jìn)電機(jī)最重要的就是要產(chǎn)生出符合要求的控制脈沖。三菱PLC本身帶有高速脈沖計(jì)數(shù)器和高速脈沖發(fā)生器，其發(fā)出的頻率最大為10KHz，能夠滿足步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的要求。對(duì)PLC提出兩個(gè)特性要求。一是在此應(yīng)用的PLC最好是具有實(shí)時(shí)刷新技術(shù)的PLC，使輸出信號(hào)的頻率可以到達(dá)數(shù)千赫芝或更高。其目的是使脈沖能有較高的分配速度，充分利用步進(jìn)電機(jī)的速度響應(yīng)能力，提高整個(gè)系統(tǒng)的快速性。二是PLC本身的輸出端口應(yīng)該采用大功率晶體管，以滿足步進(jìn)電機(jī)各相繞組數(shù)十伏脈沖電壓、數(shù)安培脈沖電流的驅(qū)動(dòng)要求。對(duì)輸入電機(jī)的相關(guān)脈沖控制，從而到達(dá)對(duì)步進(jìn)電機(jī)三相繞組的48V直流電源的依次通、斷，形成旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。3.5本章小結(jié)本章說(shuō)明了三相步進(jìn)電機(jī)幾種常見的工作方式，即三相單三拍，三相雙三拍和三相六拍。闡述了步進(jìn)電機(jī)的控制原理，以及PLC控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行的方法。第4章FX2N控制步進(jìn)電機(jī)硬件設(shè)計(jì)4.1三菱FX2nPLC的介紹1〕FX2n系列是FX系列PLC家族中最先進(jìn)的系列。由于FX2n系列具備如下特點(diǎn)：最大范圍的包容了標(biāo)準(zhǔn)特點(diǎn)、程式執(zhí)行更快、全面補(bǔ)充了通信功能、適合世界各國(guó)不同的電源以及滿足單個(gè)需要的大量特殊功能模塊，它可以為你的工廠自動(dòng)化應(yīng)用提供最大的靈活性和控制能力。2〕為大量實(shí)際應(yīng)用而開發(fā)的特殊功能。開發(fā)了各個(gè)范圍的特殊功能模塊以滿足不同的需要模擬I/O，高速計(jì)數(shù)器。定位控制到達(dá)16軸，脈沖串輸出或?yàn)镴和K型熱電偶或Pt傳感器開發(fā)了溫度模塊。對(duì)每一個(gè)FX2n主單元可配置總計(jì)達(dá)8個(gè)特殊功能模塊。3〕網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)通信：連接到世界上最流行的開放式網(wǎng)絡(luò)CC-Link，ProfibusDp和DeviceNet或者采用傳感器層次的網(wǎng)絡(luò)解決您的通信需要。4〕其它功能：內(nèi)置式24V直流電源24V、400mA直流電源可用于外圍設(shè)備，如傳感器或其它元件?？焖贁嚅_端子塊因?yàn)椴捎昧藘?yōu)良的可維護(hù)性快速斷開端子塊，即使接著電纜也可以更換單元。時(shí)鐘功能和小時(shí)表功能在所有的FX2NPLC中都有實(shí)時(shí)時(shí)鐘標(biāo)準(zhǔn)。時(shí)間設(shè)置和比擬指令易于操作。小時(shí)表功能對(duì)過(guò)程跟蹤和機(jī)器維護(hù)提供了有價(jià)值的信息。5〕持續(xù)掃描功能：為應(yīng)用所需求的持續(xù)掃描時(shí)間定義操作周期。61〕輸入濾波器調(diào)節(jié)功能：可以用輸入濾波器平整輸入信號(hào)〔在根本單元中x000到x017〕。7〕注解記錄功能：元件注解可以記錄在程序存放器中。8〕在線程序編輯：在線改變程序不會(huì)損失工作時(shí)間或停止生產(chǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)。9〕RUN/STOP開關(guān)面板上運(yùn)行/停止開關(guān)易于操作。10〕遠(yuǎn)程維護(hù)：遠(yuǎn)處的編程軟件可以通過(guò)調(diào)制解調(diào)器通信來(lái)監(jiān)測(cè)、上載或卸載程序和數(shù)據(jù)11〕密碼保護(hù)：使用一個(gè)八位數(shù)字密碼保護(hù)您的程序。4.1.1三菱PLC應(yīng)用中需要注意的問(wèn)題1〕溫度：PLC要求環(huán)境溫度在0℃～55℃，安裝時(shí)不能放在發(fā)熱量大的元件下面，四周通風(fēng)散熱的空間應(yīng)足夠大。2〕濕度：為了保證PLC的絕緣性能，空氣的相對(duì)濕度應(yīng)小于85%(無(wú)露珠)。3〕震動(dòng)：應(yīng)使PLC遠(yuǎn)離強(qiáng)烈的震動(dòng)源，防止振動(dòng)頻率為10Hz～55Hz的頻繁或連續(xù)振動(dòng)。當(dāng)使用環(huán)境不可防止震動(dòng)時(shí)，必須采取減震措施，如采用減震膠等。4〕空氣：防止有腐蝕和易燃的氣體，如氯化氫、硫化氫等。對(duì)于空氣中有較多粉塵或腐蝕性氣體的環(huán)境，可將PLC安裝在封閉性較好的控制室或控制柜中。5〕電源：PLC對(duì)于電源線帶來(lái)的干擾具有一定的抵抗能力。在可靠性要求很高或電源干擾特別嚴(yán)重的環(huán)境中，可以安裝一臺(tái)帶屏蔽層的隔離變壓器，以減少設(shè)備與地之間的干擾。一般PLC都有直流24V輸出提供應(yīng)輸入端，當(dāng)輸入端使用外接直流電源時(shí)，應(yīng)選用直流穩(wěn)壓電源。普通的整流濾波電源，由于紋波的影響，容易使PLC接收到錯(cuò)誤信息。4.1.2控制系統(tǒng)中干擾及其來(lái)源影響PLC控制系統(tǒng)的干擾源，大都產(chǎn)生在電流或電壓劇烈變化的部位，其原因是電流改變產(chǎn)生磁場(chǎng)，對(duì)設(shè)備產(chǎn)生電磁輻射；磁場(chǎng)改變產(chǎn)生電流，電磁高速產(chǎn)生電磁波，電磁波對(duì)其具有強(qiáng)烈的干擾。1〕強(qiáng)電干擾。由于電網(wǎng)覆蓋范圍廣，電網(wǎng)受到空間電磁干擾而在線路上感應(yīng)電壓。尤其是電網(wǎng)內(nèi)部的變化，刀開關(guān)操作浪涌、大型電力設(shè)備啟停、交直流傳動(dòng)裝置引起的諧波、電網(wǎng)短路暫態(tài)沖擊等，都通過(guò)輸電線路傳到電源原邊。2〕柜內(nèi)干擾。控制柜內(nèi)的高壓電器，大的電感性負(fù)載，混亂的布線都容易對(duì)PLC造成一定程度的干擾。3〕來(lái)自接地系統(tǒng)混亂時(shí)的干擾。正確的接地，既能抑制電磁干擾的影響，又能抑制設(shè)備向外發(fā)出干擾；而錯(cuò)誤的接地，反而會(huì)引入嚴(yán)重的干擾信號(hào)，使PLC系統(tǒng)將無(wú)法正常工作。4〕來(lái)自PLC系統(tǒng)內(nèi)部的干擾。主要由系統(tǒng)內(nèi)部元器件及電路間的相互電磁輻射產(chǎn)生，如邏輯電路相互輻射及其對(duì)模擬電路的影響，模擬地與邏輯地的相互影響及元器件間的相互不匹配使用等。5〕變頻器干擾。一是變頻器啟動(dòng)及運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生諧波對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生傳導(dǎo)干擾，引起電網(wǎng)電壓畸變，影響電網(wǎng)的供電質(zhì)量；二是變頻器的輸出會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的電磁輻射干擾，影響周邊設(shè)備的正常工作。4.1.3主要抗干擾措施1〕合理處理電源以抑制電網(wǎng)引入的干擾對(duì)于電源引入的電網(wǎng)干擾可以安裝一臺(tái)帶屏蔽層的變比為1∶1的隔離變壓器，以減少設(shè)備與地之間的干擾，還可以在電源輸入端串接LC濾波電路。2〕合理安裝與布線動(dòng)力線、控制線以及PLC的電源線和RS485網(wǎng)線應(yīng)分別配線，各走各的橋架或線槽。PLC應(yīng)遠(yuǎn)離強(qiáng)干擾源，柜內(nèi)PLC應(yīng)遠(yuǎn)離動(dòng)力線(二者之間距離應(yīng)大于200mm)，與PLC裝在同一個(gè)柜子內(nèi)的電感性負(fù)載，如功率較大的繼電器、接觸器的線圈，應(yīng)并聯(lián)RC消弧電路。PLC的輸入與輸出最好分開走線，開關(guān)量與模擬量也要分開敷設(shè)。模擬量信號(hào)的傳送應(yīng)采用屏蔽線，屏蔽層應(yīng)一端或兩端接地，接地電阻應(yīng)小于屏蔽層電阻的1/10。交流輸出線和直流輸出線不要用同一根電纜，輸出線應(yīng)盡量遠(yuǎn)離高壓線和動(dòng)力線，防止并行。4.1.4正確選擇接地點(diǎn)以完善接地系統(tǒng)PLC控制系統(tǒng)的地線包括系統(tǒng)地、屏蔽地、交流地和保護(hù)地等。接地系統(tǒng)混亂對(duì)PLC系統(tǒng)的干擾主要是各個(gè)接地點(diǎn)電位分布不均，不同接地點(diǎn)間存在地電位差，引起地環(huán)路電流，影響系統(tǒng)正常工作。1〕平安地或電源接地：將電源線接地端和柜體連線接地為平安接地。2〕系統(tǒng)接地：PLC控制器為了與所控的各個(gè)設(shè)備同電位而接地，叫系統(tǒng)接地。接地電阻值不得大于4Ω，一般需將PLC設(shè)備系統(tǒng)地和控制柜內(nèi)開關(guān)電源負(fù)端接在一起，作為控制系統(tǒng)地。3〕信號(hào)與屏蔽接地：一般要求信號(hào)線必須要有唯一的參考地。4.2步進(jìn)電機(jī)的選擇本設(shè)計(jì)選用45BF008。相數(shù)是三相、步距角1.5/3度。電壓24V、相電流0.2A、保持轉(zhuǎn)距0.118NM(1.2kg)、空載啟動(dòng)頻率500，D為45；D1為25；高H為2.5；d為4；E為14.5；L為58；D2為33；MS為4-M3。圖4-245BF三相反響式步進(jìn)電機(jī)實(shí)物圖圖4-345BF三相反響式步進(jìn)電機(jī)尺寸4.3步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)4.3.1驅(qū)動(dòng)電路下列圖為步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路。圖中僅為一相的驅(qū)動(dòng)電路，其余兩相與之相同。在圖中三極管T1起開關(guān)作用。當(dāng)三極管截止時(shí)，無(wú)集電極電流流通，開關(guān)相當(dāng)于斷開；當(dāng)三極管飽和時(shí)，流過(guò)的集電極電流最大，開關(guān)相當(dāng)于閉合，該開關(guān)“動(dòng)作”可由加于基極的電流來(lái)控制。由T2、T3兩個(gè)三極管組成達(dá)林頓式功放電路，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的3個(gè)繞組，使電機(jī)繞組的靜態(tài)電流到達(dá)近2A。電路中使用光電耦合器將控制和驅(qū)動(dòng)信號(hào)隔離。當(dāng)控制輸入信號(hào)為低電平時(shí)，T1截止，輸出高電平，那么紅外發(fā)光二極管截止，光敏三極管不導(dǎo)通，因此繞組中無(wú)電流流過(guò)；當(dāng)輸入信號(hào)為高電平時(shí)，T1飽和導(dǎo)通，于是紅外發(fā)光二極管被點(diǎn)亮，使光敏三極管導(dǎo)通，向功率驅(qū)動(dòng)級(jí)晶體管提供基極電流，使其導(dǎo)通，繞組被通以電流。圖4-4步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路4.3.2驅(qū)動(dòng)電路接口圖4-5驅(qū)動(dòng)器接口4.4PLC驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)三菱PLC本身帶有高速脈沖計(jì)數(shù)器和高速脈沖發(fā)生器，其發(fā)出的頻率最大為10KHz，能夠滿足步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的要求。對(duì)PLC提出兩個(gè)特性要求。一是在此應(yīng)用的PLC最好是具有實(shí)時(shí)刷新技術(shù)的PLC，使輸出信號(hào)的頻率可以到達(dá)數(shù)千赫芝或更高。其目的是使環(huán)形脈沖分配能有較高的分配速度，充分利用步進(jìn)電機(jī)的速度響應(yīng)能力，提高整個(gè)系統(tǒng)的快速性。二是PLC本身的輸出端口應(yīng)該采用大功率晶體管，以滿足步進(jìn)電機(jī)各相繞組數(shù)十伏脈沖電壓、數(shù)安培脈沖電流的驅(qū)動(dòng)要求。如下列圖所示：圖4-6PLC直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)環(huán)形分配程序?qū)Σ竭M(jìn)電機(jī)各相繞組的通電順序進(jìn)行環(huán)形脈沖分配，從而控制接到步進(jìn)電機(jī)三相繞組的48V直流電源的依次通、斷，形成旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，由于步進(jìn)電機(jī)是電感性負(fù)載，直流電阻很小，故接限流電阻以免脈沖電流過(guò)大損壞，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)各相繞組的通電順序按：…A—AB—B—BC—C—CA—A…導(dǎo)通斷開時(shí)，步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)。按A—AC—C—CB—B—BA—A…依次導(dǎo)通、斷開時(shí)，步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)，即步進(jìn)電機(jī)可以按三相六拍工作。每當(dāng)步進(jìn)電機(jī)走一步，環(huán)形脈沖分配程序的步數(shù)減一，當(dāng)步數(shù)減為零時(shí)，停止環(huán)形脈沖分配，等待下一次的脈沖輸入。4.5步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的使用說(shuō)明本驅(qū)動(dòng)器為M415B細(xì)分驅(qū)動(dòng)器，適合驅(qū)動(dòng)中小型的任何1.5A相電流以下的兩相或四相混合式步進(jìn)電機(jī)